Forschung2

Wasserspalter mit Doppelrolle
Mit Sonnenlicht und einem altbekannten Kunststoff lässt sich aus Wasser Wasserstoff produzieren

Das Kohlenstoffnitrid sorgt dafür, dass sich Wasserstoff bildet, wenn Wasser mit Sonnenlicht bestrahlt wird.

Bild: Max-Planck-Institut für Kolloid- und Grenzflächenforschung (mit ergänzten Texten, Formeln und Formelgleichungen: HR)

22.01.2009 - Wasserstoff wird als der Energieträger der Zukunft angesehen. In einem Kilogramm Wasserstoff steckt etwa dreimal soviel Energie wie in einem Kilogramm Erdöl. Zudem entstehen keine Schadstoffe, sondern ausschließlich Wasser, wenn man beispielsweise in Brennstoffzellen Energie aus ihm gewinnt. Wasserstoff kommt auf der Erde jedoch nur in Form von Verbindungen, wie eben Wasser, vor. Um mit ihm Energie zu erzeugen, braucht man Wasserstoff in seiner reinen Form - und zwar bestenfalls mit regenerativen Energiequellen wie etwa Sonnenlicht produziert.
Wissenschaftlern am Max-Planck-Institut für Kolloid- und Grenzflächenforschung ist jetzt ein Schritt in diese Richtung gelungen - und zwar ausgerechnet mit einem der ältesten künstlichen Polymere, das Chemiker kennen. Sie haben ein Kohlenstoffnitrid, das Justus Liebig schon 1834 erstmals herstellte und Melon nannte, genutzt, um Wasserstoff aus Wasser mit Hilfe des Sonnenlichtes zu erzeugen.
Das Kohlenstoffnitrid nutzt das Sonnenlicht, um Wasserstoff aus dem Wasser herauszulösen. Eine Substanz, die Chemiker als Opferreagenz bezeichnen, nimmt dabei den Sauerstoff des Wassers auf. Der Clou: Die Potsdamer Chemiker können auf Edelmetalle wie etwa Platin verzichten. In herkömmlichen Prozessen sind diese - neben einem Halbleiter als Antenne für das Sonnenlicht - nötig, um die Wasserstoffproduktion zu katalysieren. Das Kohlenstoffnitrid erledigt nun beide Aufgaben zugleich, und das als besonders stabiler organischer Halbleiter, der sich einfacher herstellen lässt als die üblicherweise verwendeten anorganischen Stoffe.
"Für technische Anwendungen wäre es optimal, wenn wir Wasser in einem Schritt in Wasserstoff und elementaren Sauerstoff zerlegen könnten", erklärt Wang. Auch das sollte mit Kohlenstoffnitrid als einzigem Hilfsmittel möglich sein, wie Berechnungen der Forscher ergeben haben. In Experimenten brauchen sie dafür bislang aber noch einen zusätzlichen Katalysator. Nun arbeiten die Wissenschaftler um Wang daran, die Produktion von Wasserstoff und Sauerstoff in einem geeigneten Aufbau zu kombinieren. Gelingt ihnen dies, ist die Wasserspaltung perfekt und Wasserstoff seiner Rolle als wichtiger Energieträger der Zukunft ein Stück näher.

19.05.2009 - Für moderne Implantate und die Zucht künstlicher Gewebe und Organe werden Materialien mit möglichst naturnahen Eigenschaften benötigt. Das Gewebe unseres Körpers zeigt jedoch eine Eigenschaftskombination, die nur sehr schwer in synthetischen Materialien nachgeahmt werden kann: Es ist gleichzeitig weich und sehr belastbar. Ein australisch-koreanisches Forscherteam um Geoffrey M. Spinks und Seon Jeong Kim hat nun ein neuartiges, hochporöses schwammartiges Material entwickelt, das in seinen mechanischen Eigenschaften dem von biologischem Weichteilgewebe sehr nahe kommt. Wie die Wissenschaftler in der Zeitschrift Angewandte Chemie berichten, besteht es aus einem robusten Netzwerk aus DNA-Strängen und Kohlenstoffnanoröhrchen. Weichteilgewebe wie Sehnen, Muskeln, Arterien, Haut und andere Organe erhalten ihre mechanische Stütze durch die extrazelluläre Matrix, einem Netz proteinbasierter Nanofasern. Verschiedene Protein-Morphologien führen dabei zu Geweben mit einer ganzen Bandbreite von Steifigkeiten. Als Implantate oder als Gerüste für die Gewebezüchtung braucht man poröse, weiche Materialien - die meist aber sehr fragil sind. Da viele biologische Gewebe regelmäßig starken mechanischen Belastungen ausgesetzt sind, ist es zudem wichtig, dass das Implantatmaterial eine vergleichbare Elastizität ausweist, um Entzündungen zu vermeiden. Gleichzeitig muss das Material sehr fest und belastbar sein, sonst kann es versagen. Das neue Konzept nutzt DNA-Stränge als Matrix, die die gerüstbildenden Kohlenstoffnanoröhrchen in Anwesenheit einer ionischen Flüssigkeit regelrecht einwickeln und zu einem Gel vernetzen. Dieses Gel kann man spinnen: Nicht anders als beim Nassspinnen von Seide oder Kunstfasern für Textilien lassen sich hauchfeine Fäden erzeugen, wenn man das Gel in ein spezielles Bad eindüst. Die getrockneten Fäden haben eine poröse schwammartige Struktur und bestehen aus einem Netzwerk ineinander verschränkter ca. 50 nm dünner Nanofasern. Einweichen in einer Calciumchloridlösung vernetzt die DNA weiter, die Fäden werden wesentlich dichter und fester miteinander verbunden. Diese schwammartigen Fasern ähneln den Kollagenfasernetzen der biologischen extrazellulären Matrix. Sie lassen sich zudem knoten, flechten und zu textilartigen Strukturen verweben. So entstehen Materialien, die so elastisch sind wie die weichsten natürlichen Gewebe, gleichzeitig verleihen ihnen die robusten DNA-Kontaktstellen eine hohe Belastbarkeit. Ein weiterer Vorteil ist die elektrische Leitfähigkeit des neuen Materials, das sich damit auch als Elektrodenmaterial für mechanische Stellglieder, Energiespeicher und Sensoren eignet. So gelang es den Forschern etwa, einen Wasserstoffperoxid-Sensor herzustellen. Die Kohlenstoffnanoröhrchen katalysieren die Oxidation von Wasserstoffperoxid, dabei entsteht ein messbarer Stromfluss. Wasserstoffperoxid spielt eine Rolle in der normalen Herzfunktion und bei bestimmten Herzerkrankungen. Ein robuster Sensor mit der Dehnbarkeit des Herzmuskels wäre eine große Hilfe für die Erforschung dieser Zusammenhänge.
Originalveröffentlichung: Geoffrey M. Spinks et al.; "Tough Supersoft Sponge Fibers with Tunable Stiffness from a DNA Self-Assembly Technique"; Angewandte Chemie 2009

Mikroorganismen liefern Initialzündung für die Entstehung von Manganknollen und Mangankrusten

25.05.2009 - Auf dem Meeresboden liegen Rohstoffe, die in Zukunft von großer Wichtigkeit sein könnten: Mangan, Eisen, aber auch die selteneren und wertvolleren Elemente Kobalt, Kupfer, Zink und Nickel sind in Tiefseeknollen und Tiefseekrusten reichlich vorhanden. Dass sich die Stoffe aus dem Meerwasser und dem Sediment anreichern konnten, ist einem als "Biomineralisation" bezeichneten Prozess zu verdanken. Kleinstlebewesen wie Bakterien und Algen sind am Aufbau der Knollen und Krusten beteiligt und liefern, so zeigen neue Forschungen am Institut für Physiologische Chemie und Pathobiochemie der Johannes Gutenberg-Universität Mainz, die Initialzündung für die Ansammlung der Metalle. Die neuen Erkenntnisse könnten nach Einschätzung der Wissenschaftler dazu beitragen, dass eine umweltfreundliche und nachhaltige Nutzung der wertvollen Meeresschätze erfolgt.

Der Wettlauf um die Ressourcen auf dem Meeresboden hat schon begonnen, die Industrieländer haben ihre Claims abgesteckt und sich die Regionen mit hohen Rohstoffvorkommen gesichert. "Das birgt internationalen Konfliktstoff", da ist sich Univ.-Prof. Dr. Werner Müller von der Universität Mainz sicher. Weiß man aber erst einmal, wie die Tiefseeknollen und Tiefseekrusten genau entstanden sind, könnten vielleicht in nicht allzu ferner Zukunft Mikroorganismen gezüchtet werden, um ganz gezielt wichtige Rohstoffe "anzubauen". Müller erforscht seit über 30 Jahren die Unterwasserwelt und gilt als Pionier der Schwammforschung in Deutschland. Aber nicht nur Schwämme bieten nach Auffassung des Mediziners einen nahezu unerschöpflichen Fundus - angefangen von bioaktiven Substanzen für die Medizin bis zu Silikaten für die Lichtleitung -, sondern auch Bakterien und Algen sind wahre Zauberkünstler.

Manganknollen entstehen auf dem Meeresboden in 4.000 bis 5.000 Meter Tiefe. In über 10 Millionen Jahren haben sich hier schätzungsweise 300 Milliarden Tonnen Mangan in Knollen angesammelt. "Das ist recht erstaunlich, wenn man bedenkt, dass die Konzentration von Mangan im Meereswasser verschwindend gering ist", sagt Müller. Zusammen mit dem Mangan finden sich in den kartoffelähnlichen Knollen Eisen und Buntmetalle, die sich in Schichten abgelagert haben. Ist erst einmal ein kleines Samenkorn vorhanden, reichern sich immer neue Metallionen an der Außenschicht an. Wie es zur Initialzündung kommt, hat Müller nun in Kooperation mit chinesischen Wissenschaftlern aufgedeckt. Als Bio-Keime fungieren demnach Bakterien, an deren Außenwand eine zusätzliche Proteinschicht sitzt, der sogenannte S-Layer. "Die äußerste Schicht des S-Layers ist eine ideale organische Matrix, die nicht nur die Mikroorganismen gegen schädigende Umwelteinflüsse schützt, sondern auch die Ablagerung von Mineralien erlaubt." Müller und seine Kooperationspartner haben in Manganknollen ganze Ketten aus Bakterien mit S-Layern gefunden, an denen die Synthese der Biomaterialien ihren Anfang genommen hat. "Ist aber erst einmal die erste Schicht vorhanden, kommt es zu Autokatalyse, das Material vervollständigt sich selbst."

Bei Tiefseekrusten ist der Bio-Keim nicht ein Bakterium, sondern eine kleine, einzellige Alge. Die Tiefseekrusten, auch Mangankrusten oder Kobaltkrusten genannt, sind in 800 bis 2.400 Meter Tiefe zu finden und enthalten ebenfalls bedeutende Rohstoffvorkommen. Sie verdanken ihre Entstehung den Coccolithophoriden, gepanzerten Algen, die rundherum mit einer Kalkschicht als Schutzschild bedeckt sind. Diese Algen leben in einer Tiefe von 100 Metern. Sterben sie ab, dann fällt ihr Schutzpanzer in tiefere Schichten, wo es durch chemische Umwandlung zur Bindung von Mangan kommt.

"Wir können die Natur als ein Modell nehmen, um künftig vielleicht mit Hilfe von Algen und Bakterien Mangan und andere Metalle in einer künstlichen Umgebung aus Meerwasser zu gewinnen", erklärt Müller. Dies könnte Verteilungskonflikte entschärfen und zu einer nachhaltigen Produktion beitragen, ohne die Tiefsee zu schädigen.

Originalveröffentlichung: Xiaohong Wang, Werner E.G. Müller; "Marine biominerals: perspectives and challenges for polymetallic nodules and crusts"; Trends in Biotechnology, 30. April 2009

Richtlinie VDI 3957 Blatt 17: Biologische Messverfahren zur Ermittlung und Beurteilung der Wirkung von Luftverunreinigungen (Bioindikation)
22.06.2009 -

Eine wichtige Aufgabe der Umweltüberwachung ist die Indikation von Schwermetalleinträgen. Aufgrund ihrer Fähigkeit, in hohem Maße Schadstoffe aufzunehmen, eignen sich Torfmoose besonders gut für das Ermitteln und Beurteilen der atmosphärischen Schwermetallbelastung. Die Kommission Reinhaltung der Luft im VDI und DIN beschreibt in der neuen Richtlinie VDI 3957 Blatt 17, wie standardisiert vorzugehen ist.

Grundlage des Verfahrens ist das aktive Biomonitoring mit der sogenannten "Sphagnum-bag-technique". Bei dieser Methode werden die in Reinluftgebieten gesammelten Torfmoose in Nylonnetze gefüllt, dann in den zu überwachenden Gebieten über einen definierten Zeitraum exponiert und anschließend auf ihre Schwermetallgehalte, wie zum Beispiel Blei, Cadmium, Chrom und Quecksilber, analysiert. Unterschiede der Schwermetallgehalte der Moose an den Untersuchungspunkten geben Auskunft über die Verteilung und das Ausmaß der Schwermetallbelastung.

Neben herkömmlichen Immissionsmessungen, die überwiegend auf physikalisch-chemischen Messmethoden beruhen, kommen alternative Methoden unter Einbeziehung lebender Organismen zur Beobachtung der Umweltsituation, sogenannte Bioindikatoren, immer häufiger zum Einsatz. Untersuchungen mit Bioindikatoren sind aufgrund des geringen Personalaufwandes und Materialeinsatzes meist kostengünstig und erlauben eine wirkungsbezogene Aussage der Immissionssituation.